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浅析在航空航天领域中超级计算机发挥的作用

2020-03-18 865 上传者：管理员

摘要：文章先介绍了超级计算机的概念及其特点，论述了其发展历程以及不同时期典型的超级计算机产品，随后对超级计算机的结构进行了阐述，并从飞行器设计及航天试验两个方面着重介绍了其在航空航天领域中的应用现状，最后对其在航空航天领域中的重要作用以及面临的能耗、芯片问题进行了分析和探讨，致力于促进航空航天事业的进一步发展。

关键词：
发展
应用
航空航天
超级计算机
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超级计算机(Super computer)，又称巨型机，是一种能够处理普通计算机无法胜任的海量资料并可以进行高速运算的计算机^[1]。与普通的电脑相比，超级计算机与其构成组件基本相同，也包括硬件部分与软件部分，但其在性能和规模方面却差异巨大。由于具有庞大的数据存储容量以及极快的数据处理速度，超级计算机可以在极短的时间内完成一些普通计算机难以完成的任务。

超级计算机利用其高性能的计算能力为人们节约了百倍甚至上千倍的计算时间，它不仅极大的加快了运算速度，也使得运算精度更高。超级计算机是一个庞大的计算机系统，主要用来完成大型计算课题及数据处理任务，如大范围天气预报，分析卫星照片，生命组学数据分析等^[2]。

现如今，航空航天领域的国际竞争不断加剧，也成为我国重点发展的具有战略意义的高科技行业。从ARJ21制造到国产大飞机C919自主研发，从天宫二号成功对接到嫦娥二号首次月背软着陆，超级计算机有着不可取代的作用。本文将针对超级计算机及其在航空航天领域中的应用进行论述。

1、超级计算机发展历程

1929年，《纽约世界报》最早在报导哥伦比亚大学建造大型报表机(tabulator)时用到“超级计算(Supercomputing)”这一概念。而真正意义上研制出符合超级计算机定义产品的人应是西蒙．克雷(S．Cray)博士。1963年，西蒙博士研制出世界上第一台巨型机—CDC6600，该巨型机共安装了35万个晶体管，运算速度达到1Mflops。1976年，CRAY公司推出CRAY—l向量机，开始了超级计算机向向量机的发展，其峰值速度可以到达0.1Gflops。向量机的系统架构进一步提高了超级计算机的计算速度，但由于其时钟周期已接近物理极限，很快就遇到了发展瓶颈。

就在向量机的发展逐渐萎缩时，超级计算机迎来了大规模并行处理MPP机时代。在这一时期许多大公司纷纷进入，代表机型有：BBN公司的TC2000，IBM公司的SP2等。2018年，最新世界超级计算机500强榜单公布，美国橡树岭国家实验室最新研制的超级计算机“顶点”位居榜首，超过了中国的“神威·太湖之光”超级计算机。排在第三至五位的超级计算机依次是美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的“山脊”、中国的“天河二号”、日本的“人工智能桥接云基础设施^[3]。

2、超级计算机组成

与普通计算机类似，超级计算机系统也包括硬件和软件两个系统^[4]。在硬件部分，主要包括高速互连通信网络子系统、高速运算子系统、存储子系统以及配套的维护监控、电源、冷却部分。高速运算子系统是超级计算机的核心，负责各种逻辑运算，由多个CPU组成；高速互连通信网络子系统是连接系统不同组件的，一般由高速以太网、白定制互联机制构成；存储子系统包括内存和外存两部分，负责存储相关的数据与交互；为了保障超级计算机系统能够长时间正常运转，防止出现死机，设计了专门的维护监控系统；在进行高速运算时，CPU会产生热量，因而冷却系统在超级计算机系统中十分重要，它能够保证超级计算机不会因为过热而死机；电源系统负责为超级计算机系统提供稳定、可靠的能源供应。

超级计算机软件系统主要包括操作系统、编译系统、以及相关的应用软件。超级计算机的CPU数远远大于日常的计算机，但衡量超级计算机的运算能力并非是CPU的数量，而更重要的是构建其内部的互联结构，即将成千上万的CPU调动起来一起协同工作，而建造一个高效的互联网络是超级计算机的核心，对其性能影响甚大。设计超级计算机系统需要通过系统工程的思想与方法，将组成超级计算机的软、硬件系统进行有机整合，从而发挥最大作用。

3、航空航天领域中的应用

3.1 飞机设计

随着计算机辅助设计在中国制造业的普及，飞机制造业中的工程仿真已经高度成熟。其中飞行器的计算结构力学、流体力学、电磁模拟等技术是高级飞行器设计与制造的核心技术。在飞机研制过程中，从设计要求确定到详细计算、原型机试制、试飞以及设计定型，每一个环节都需要进行气动分析。ARJ2-700飞机是中国商用飞机公司上海飞机设计研究所与上海超级计算中心合作研制的首架中短途商用支线喷气式飞机。作为ARJ21的研发主体，上海飞机设计研究所在ARJ21项目中使用了超过100万CPU小时用于飞机的气动分析，从而保障了研发的进度。除了ARJ2-700外，上海飞机设计研究所和上海超级计算中心还合作进行了大型客机的研发。其中，曙光5000A超级计算机被用于大飞机机翼、翼身组合、发动机吊挂等部分的设计工作。

传统的飞行器设计过程往往需要经过复杂的理论及大量的风洞实验，但超级计算机应用后，能够利用计算机进行模拟计算，从而提高研发的效率。飞行器制造方面，许多特殊条件不易实现或操作加之实物实验耗时且成本高昂，这就使得运用超级计算机模拟器件制作有了难以替代的作用，能够实现高效精准计算，并节约了大量成本。

3.2 航天试验模拟

在飞行器高速飞行中，高温气流以及气体的分布情况对航天器的成功试验十分为重要。2011年9月，我国成功在酒泉卫星发射中心将自主研制的载人空问试验平台—“天宫一号”送入预定轨道。在“天宫一号”的设计过程中，研发团队利用“神威·太湖之光”超级计算机对飞行器的状态进行了大规模并行模拟，使用了超过15000个处理器。在准确的前提下，以极高的效率出色完成了计算任务(20天内便完成常规需要12个月的计算任务)。超级计算机的模拟计算结果与风洞实验数据基本吻合，为“天宫一号”飞行试验提供重要数据支持。

对于天体的运行轨道，从最初的开普勒几大定律，到后来摸索出的高斯、吉布斯、拉普拉斯的计算方式，再到现如今的超级计算机数字模拟的方式，每一次的进步都推动了人类航天事业的发展。在天体运动中各种复杂的引力及其相互作用，会使得飞船的运行轨道有很大的不确定性，这时，运用超级计算机来模拟就显得十分重要。《火星救援》的作者创作时就在超级计算机上进行了简单的模拟计算，才最终塑造出这样较为完美的科幻大片，而实际的航天飞行则更为复杂。借助超级计算机能够使传统的模拟、试验等工作能在较短时间内完成，可以说超级计算机的诞生在航天事业的发展中意义重大。

4、讨论

拥有超级计算能力是国家科技竞争力的重要标志，也是确保航空航天发展的重要基础资源^[5]。超级计算机对于航空航天领域的研发具有不可替代的促进作用，是我国科技发展的重要方向。利用超级计算机的计算能力，可以加速飞行器设计的进程，确保设计方案的可靠性；此外，通过模拟航天试验，可以节约研发成本，促进我国航天事业的发展。但另一方面，超级计算机在发展过程中也存在一些问题。作为千万亿次计算机，能耗、能效是其核心指标。据测算，一台千万亿次级超级计算机每年大约要消耗一个中型核电站的发电量，比如美国最快的超级计算机“美洲豹”每年约消耗7Mw。

因此，研发更加节能的超级计算机一直是其发展的重要方向。在超级计算机的核心硬件—芯片方面我国还面临着短板。在最新超级计算机500强榜单中，95％的超级计算机使用的是美国英特尔公司生产的芯片。虽然中国的“神威·太湖之光”使用的是自主研发的“申威”芯片，但从整体上看，中国还需要大力发展相关芯片，尽早使超级计算机实现完全自主化。历史经验也表明，将核心技术掌握在自己的手里才能保证国家安全。

参考文献：

[1]司宏伟,冯立昇.世界超级计算机创新发展研究[J].科学管理研究,2017,35(4):117-120.

[2]陈左宁.进入新时代的超级计算机[J].民主与科学,2017(4):24-25.

[3]郑晓欢,陈明奇,唐川,等.全球高性能计算发展态势分析[J].世界科技研究与发展,2018,40(3):249-260.

[4]付昊桓.全球最强的超级计算机——“神威-太湖之光”[J].国防科技工业,2018(5):25.

[5]葛蔚,郭力,李静海,等.关于超级计算发展战略方向的思考[J].中国科学院院刊,2016,31(6):614-623.

于帅旗.超级计算机及其在航空航天领域中的应用[J].科技传播,2019,11(22):145-146.